Вулканы и гейзеры

Начнём с небольшой истории. В Тирренском море есть остров Вулькано. Большую часть его занимает гора, из вершины которой в древности иногда вырывались чёрный дым, огонь и раскалённые камни. Древние римляне верили, что это вход в подземное царство, а владеет им бог огня и кузнечного дела — Вулкан. Именно в его честь и стали называть все такие огнедышащие горы вулканами.

Так что же такое вулкан на самом деле? Если говорить научным языком, это место на поверхности Земли, где наверх прорывается магма. А магма — это раскалённая смесь горных пород, которая образуется глубоко под землёй, где очень жарко и огромное давление. Когда магма вырывается наружу, мы говорим, что вулкан извергается.

А почему вообще это происходит? Вы уже знаете, что земная кора состоит из литосферных плит, которые постоянно двигаются. В некоторых местах, особенно на стыках этих плит, образуются так называемые активные окраины. Там тяжёлая океаническая кора как бы подныривает под более лёгкую континентальную.

Взаимодействие погружающейся океанической коры с континентальной литосферой вызывает плавление верхней части мантии на глубине ста пятидесяти — двухсот (150—200) километров. Образовавшиеся капли расплава сливаются вместе и начинают подниматься, создавая под землёй магматические очаги. Магма из них устремляется к поверхности по специальным каналам. И вот тут-то начинается самое интересное.

По пути давление падает, и из магмы начинают выделяться газы. Этот процесс называется дегазация. Газы, которые раньше были растворены в магме, резко расширяются — и это похоже на то, что происходит с газировкой, когда вы её открываете.

Все мы знаем, что, если осторожно открыть газировку, из бутылки появляется дымок, а иногда раздаётся хлопок или образуется пена. Так из напитка выходит растворённый в нём газ. А вот если бутылку перед открыванием ещё и потрясти или нагреть, то из неё вырвется мощная струя газа и жидкости, удержать которую будет очень трудно.

А вот что происходит в жерле вулкана. Вещество мантии, нагретое от земного ядра, поднимается вверх до нижней границы литосферы и затем, остыв, снова опускается в направлении центра Земли. При движении мантия увлекает с собой куски литосферных плит. Те части плит, которые погрузились ниже других, оказываются в области высокой температуры и начинают плавиться. Так и образуется магма — густая, как каша, смесь расплавленных пород с газами и водяным паром. Её температура просто колоссальная — около 800 °C.

Магма накапливается в подземных пустотах — магматических камерах. Представьте себе огромный подземный резервуар, заполненный под большим давлением. И если где-то рядом в земной коре образуется трещина или «пробка» оказывается слабой, магма с силой вырывается наружу. Помочь ей может что угодно: небольшое землетрясение, оползень или даже сильный дождь.

Когда у вулкана «срывает крышу», давление в верхней части магматического очага быстро снижается. В нижней части магматического очага, где давление пока ещё большое, растворённые газы всё ещё входят в состав магмы. В жерле вулкана начинают активно выделяться пузырьки газов. Чем выше по жерлу, тем давление ниже и пузырьков становится всё больше. Эти большие и маленькие пузырьки быстро поднимаются вверх и увлекают за собой вязкое вещество магмы. На поверхности Земли у жерла вулкана образуется сплошная пенистая масса. Это знакомая всем пемза, лёгкая пористая порода, которая даже плавает на воде.

На поверхности магма, уже потерявшая много газов, называется лавой. Вместе с ней вырываются раскалённые газы, пар, пепел и обломки камней. Это и есть извержение — грозное, но завораживающее зрелище.

Извержения бывают разными.

Если газы выходят спокойно, лава просто изливается на поверхность — это эффузивное извержение. Если магма очень густая и холодная, она медленно выдавливается, как паста из тюбика — это экструзивное извержение. Ну а самое опасное — эксплозивное, когда магма как бы мгновенно вскипает и происходит мощный взрыв.

По форме, вулканы принято делить на пять основных типов, в зависимости от состава извергаемой ими лавы.

Щитовидные вулканы похожи на лепёшку. Они образуются, когда жидкая лава низкой вязкости растекается далеко от жерла, формируя пологий склон. Яркий пример — вулкан Мауна-Лоа на Гавайях.

Самый распространённый тип — шлаковый конус. Он растёт с каждым извержением: вокруг кратера слоями набрасываются шлак и пепел, формируя практически идеальный конус. Типичным представителем данного типа может служить вулкан Плоский Толбачик, располагающийся на востоке Камчатке.

Стратовулканы (или, как их ещё называют, слоистыми вулканами) периодически извергают вязкую и густую лаву, а также смесь горячего газа, пепла и раскалённых камней. Это классические «огнедышащие горы» вроде Этны, Везувия или Фудзиямы. 

Купольные вулканы появляются, когда очень вязкая лава не может стечь и застывает прямо над жерлом, формируя купол. Этот купол, как пробка, закупоривает жерло́ вулкана. Со временем эту пробку вышибают накопившиеся под куполом газы. Прямо сейчас такой купол растёт над вулканом Дикий Хребет на юге Камчатского края.

И наконец, сложные вулканы — это настоящие гиганты с несколькими вершинами и кратерами. Такой вулкан образуется в результате нескольких извержений, происходивших при смещении жерла́ на небольшие расстояния или вследствие поднятия молодых конусов в руинах старого вулкана. Типичными представителями данного класса являются вулканы-близнецы Чирип и Богдан Хмельницкий, расположенные на острове Итуруп. А также вулкан Тятя, расположенный на острове Кунашир.

Кроме того, известны шесть типов вулканических извержений. Они могут сменять друг друга на протяжении жизни одного и того же вулкана и даже в течение одного цикла его активности.

Гавайский тип характерен постоянным выбросом магмы. Лава из жерла́ вулкана извергается фонтаном и растекается по склонам горы.

Стромболианский тип — это повторяющиеся взрывы, частое извержение вулканических бомб, шлака, пемзы и пепла. Лавовые потоки при этом бывают очень небольшими.

Пелейский тип — газ с огромной силой вырывается из кратера. Лава, скапливаясь и остывая вокруг кратера, образует пробку, при прорыве которой возникают раскалённые облака.

Плинианский тип характерен взрывами, которые создают над кратером облако пепла в форме гигантского зонтика, поднимающегося в небо на несколько километров.

Вулканианский тип характерен постоянными ритмичными взрывами вулканических газов. Происходят мощные выбросы газа через жерло́, забитое обломками предыдущих извержений.

Суртсейский тип — это подводное извержение. Вокруг кратера формируется слой спрессованного пепла — туфа. Постепенно поднимаясь из моря, туф образует вулканический остров.

Кстати, взрывы при извержении происходят потому, что выделяющиеся газы (водород, метан) горючие. Они воспламеняются в жерле́ и взрываются. Сила взрыва может быть такой, что на месте горы остаётся огромная воронка — кальдера. А если извержение продолжается, прямо в ней может начать расти новый вулкан.

Таким образом, физическая причина извержения вулкана — дегазация магмы. Именно поэтому большинство вулканов находятся на границах тектонических плит — это слабые места в земной коре.

А что же происходит, когда извержение заканчивается? Если новые порции магмы не поступают, вулкан засыпает. Но он может проснуться через сотни лет, если движение геологических плит продолжится и магматический очаг окажется вновь заполненным магмой. Свежий пример — вулкан Крашенинникова, который начал извергаться в августе 2025 года. А до этого он молчал около 600 лет.

Вулканы, которые хотя бы раз извергались и могут проснуться, называются спящими. А те, что извергались миллионы лет назад и больше не активны, — потухшими.

При извержении вулкана наибольшую опасность для людей, живущих вблизи него, представляют выбросы лавы и пепла, а также вулканического газа. Но даже вдали от вулкана люди могут пострадать от так называемых вулканических бомб — кусков лавы и камней массой до нескольких тонн. Их дальность полёта может достигать двадцати пяти — тридцати километров (25—30 км).

Энергия извержения колоссальна. Так, энергия одного из крупнейших извержений — вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году — составила около 10²⁰ Дж. Самая мощная в мире гидроэлектростанция «Три ущелья», расположенная в Китае на реке Янцзы, вырабатывает мощность 22 ГВт. Несложно подсчитать, что для получения количества энергии, сопоставимого с энергией извержения вулкана, ей придётся работать почти два года! Если учесть, что обычно извержения длятся всего несколько дней, то понятно, что при такой огромной мощности вулканы представляют одно из самых впечатляющих и грозных природных явлений.

После окончания извержения вулкан начинает остывать. Его жерло закрывается застывшей лавой. Но если температура в магматическом очаге остаётся достаточно высокой, то на поверхность будут продолжать выходить вулканические газы (фумаролы) или струи кипящей воды (гейзеры). Такой вулкан считается действующим. Ведь в любой момент в магматической камере может опять скопиться большое количество магмы, и тогда извержение начнётся вновь. Вулкан тухнет окончательно, лишь когда прекращается движение тектонических плит в этом районе.

Кстати, о гейзерах. Мы уже упоминали, что высокая температура магмы приводит к разогреву грунтовых вод. В результате на поверхность выходят горячие источники или происходят выбросы пара и воды, называемые гейзерами.

Каждый гейзер представляет собой так называемую трубку — канал, уходящий в глубь Земли, причём в силу неоднородности прогрева почвы температура внутри трубки растёт с глубиной. Трубка может иметь диаметр до 3 метров и длину до 20—30 м. После извержения гейзера трубка пустеет, но постепенно снова наполняется водой. Вода в ней начинает бурлить и происходит извержение — вверх поднимается фонтан кипящей воды.

Важным для понимания этого процесса является тот факт, что температура кипения воды зависит от давления. Если при давлении в 1 атм температура кипения воды составляет 100 °C, то при повышении давления, например до 2 атм, температура кипения возрастает до 120 °C. Соответственно, при понижении давления температура кипения, наоборот, уменьшается. Об этом хорошо знают альпинисты, которым приходится готовить себе чай высоко в горах.

Возьмём, к примеру, гейзер с такими характеристиками. Высота трубки равна 20 м. Температура воды у верхнего края трубки составляет 85 °C, на глубине 13 м — 122 °C, а у основания трубки, на 20-метровой глубине, — 126 °C. По мере погружения в глубину растёт гидростатическое давление столба жидкости, равное ρ_BgH. Температура воды постоянно немного ниже температуры кипения при существующем давлении. Теперь представим себе, что в один из боковых каналов, расположенный на высоте 13 м) поступила порция пара. вытолкнул воду на определённую высоту, скажем, на 2 м. При этом часть воды из верхней части трубки перельётся в бассейн, наружу гейзера. Одновременно вода, находившаяся ранее на глубине 13 м при температуре 122 °C, оказывается на отметке 11 м, где температура кипения равна 121 °C.

Эта вода мгновенно закипит. При кипении образуются пузырьки пара, которые продолжат активно выдавливать жидкость из отверстия гейзера. По мере уменьшения количества воды в трубке снижается также гидростатическое давление и температура кипения. Когда давление упадёт достаточно сильно, вся оставшаяся вода внутри трубки закипит. При этом сразу возникнет большое количество пара, который устремится вверх по трубке, выталкивая из неё остатки воды и воду из бассейна.

После того как весь пар из трубки вырвется наружу, остывшая вода стечёт обратно. Следующее извержение произойдёт только после того, как вода в трубке снова нагреется до температуры, близкой к температуре кипения.

Самое известное место в России, где можно увидеть это чудо природы, — Долина гейзеров на Камчатке. На небольшой площади там находится более двадцати крупных и несколько сотен маленьких гейзеров.

Вот такие они, вулканы и гейзеры — мощные, непредсказуемые и напоминающие нам о том, что глубоко под нашими ногами бурлит настоящая огненная жизнь.